噴油規(guī)律對柴油機性能與排放的影響研究.pdf

1、隨著石油資源的日益枯竭和環(huán)境污染的日漸加劇，以及排放法規(guī)的愈加嚴格，內(nèi)燃機的發(fā)展面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。柴油機的燃油經(jīng)濟性優(yōu)于汽油機20％～30％，但其較高的氮氧化物NOx和顆粒PM排放成為制約其發(fā)展的瓶頸。因此，采取有效措施降低柴油機的有害排放并推廣其應用，對改善環(huán)境污染和延緩能源危機問題具有重要的理論意義和實際價值。 燃油噴射系統(tǒng)對柴油機的燃燒過程及排放有著直接和決定性的影響。傳統(tǒng)的機械式燃油供給系統(tǒng)已無法滿足越來越嚴格的低

2、油耗和低排放的法規(guī)要求，電控高壓共軌噴射系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了這個問題。在歐、美、日等發(fā)動機技術先進國家，利用電控共軌系統(tǒng)的多次噴射功能，通過優(yōu)化噴油規(guī)律來改善柴油機燃燒與排放的研究已成為熱點。但由于國內(nèi)引進共軌系統(tǒng)較晚且受生產(chǎn)技術的制約，這方面的詳細研究還鮮有報道。本文在國Ⅲ標準柴油機的基礎上，利用電控共軌燃油系統(tǒng)的多次噴射技術，采用數(shù)值模擬與試驗研究相結(jié)合的方法，旨在從優(yōu)化噴油規(guī)律方面來挖掘發(fā)動機滿足更高排放標準的潛力，同時探索多次噴射對

3、柴油機性能與排放的影響規(guī)律，為同類機型的低排放研究和開發(fā)工作提供理論依據(jù)和試驗基礎。 為了更深入的了解共軌燃油系統(tǒng)的噴射特性，利用EFS共軌噴油系統(tǒng)試驗臺，對不同噴油壓力、不同噴油提前角以及不同的多次噴射條件下的噴油率進行了測取與分析。通過研究發(fā)現(xiàn)，由于共軌系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的特性，實現(xiàn)了典型的矩形噴油率形狀；當噴油始點不變時，噴射壓力越高，則噴油速率越大，噴油持續(xù)期越短；而在噴油壓力相同時，隨著噴油提前角的變化，噴油率曲線形狀基本未

4、改變，只是相當于其位置沿著x軸的橫向移動。當預噴油量為定值時，隨預噴間隔的變化，預噴射噴油率的位置相當于在x軸上發(fā)生橫向平移；而當預噴間隔不變、預噴油量不同時，在噴油率曲線上顯示為相同位置上出現(xiàn)峰值不同的預噴射噴油率：同預噴情況相似，后噴時的噴油率隨后噴間隔的變化，其主噴射噴油率形狀基本不變，只是后噴燃油的噴油率位置沿著x軸發(fā)生了橫向移動；而隨著后噴油量的變化，后噴燃油的噴油率表現(xiàn)為只是在同一位置開始但其峰值有所不同的曲線形狀。

5、 電控共軌噴油系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于，其噴油壓力和噴油定時以及噴油量相對獨立而不受發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩的影響，從而使得柴油機在不同運行工況下?lián)碛凶罴训膰娪瓦^程成為可能。通過調(diào)整共軌壓力和噴油提前角，對排放區(qū)的B50工況點，在發(fā)動機試驗臺架上進行了性能與排放的測試分析。研究表明，噴油壓力提高，則燃油霧化質(zhì)量改善，混合氣形成更均勻，從而燃燒過程更充分，致使顆粒排放減少和油耗率降低；噴油提前角增大，使得燃油更集中于上止點附近燃燒放熱，燃燒過程提前結(jié)束

6、，從而提高了做功效率，改善了燃油經(jīng)濟性。但同時發(fā)現(xiàn)，雖然采取較高噴射壓力和較小噴油提前角的結(jié)合可在一定程度上降低柴油機的排放，但是面對更高要求的排放標準和法規(guī)，這樣的調(diào)整顯得無能為力。通過相關文獻的查閱研究，決定采用共軌系統(tǒng)的多次噴射技術來進一步改善柴油機的排放性能，并通過對試驗機型進行Pi-3.0-25預噴方案和Po-5.0-10后噴射試驗探索證明了其可行性。 數(shù)值模擬的出現(xiàn)，給現(xiàn)代柴油機的設計開發(fā)提供了一條嶄新的途徑。但與此

7、同時，由于柴油機新技術的不斷應用，使得原有的數(shù)學模型已不能完全滿足模擬預測的要求。如對于碳煙模型而言，當采用共軌系統(tǒng)的多次噴射功能時，由于噴油模式的改變，燃燒過程也發(fā)生了變化，從而影響到碳煙的生成和氧化過程，這時原有的模型就暴露了其不足之處?；诖?，本文通過搜集大量相關文獻資料，經(jīng)過總結(jié)提煉，并針對研究后噴射的目的，提出了一個基于平均反應率的碳煙氧化模型，綜合考慮了湍流混合控制與化學反應動力學對碳煙氧化的影響作用。利用CFD軟件提供的接

8、口，通過Fortran 90編程將所提出模型進行鏈接，耦合其它子模型，對柴油機在預噴和后噴條件下的燃燒及排放過程進行了數(shù)值模擬，并結(jié)合發(fā)動機臺架試驗結(jié)果驗證了模型的正確性與合理性。 為了探究不同預噴條件和后噴條件對柴油機燃燒與排放的影響規(guī)律，為試驗研究提供理論指導，文中利用嵌入修正碳煙模型的FIRE軟件，對多種預噴和后噴方案下的柴油機燃燒及排放過程進行了數(shù)值模擬。計算結(jié)果表明：采用預噴射之后，主噴期缸內(nèi)的燃油混合情況要比沒有預噴

9、時更加均勻；預噴燃油的燃燒放熱縮短了主噴燃油的滯燃期，且隨著預噴油量的增加或預噴間隔的減小，主噴燃油滯燃期相應更短；少量預噴燃油的燃燒能夠減少主噴燃油的預混合燃燒比例，降低缸內(nèi)最高燃燒溫度，有利于NOx排放的改善；但是預噴射間隔和油量應充分優(yōu)化，如間隔太長或油量太少，則預噴不能起到預熱主噴燃油的目的，而過小的預噴間隔或過大的油量又會造成主噴射油束因卷吸過多的預噴燃燒產(chǎn)物而處于富油缺氧狀態(tài)，燃燒性能急劇惡化，造成碳煙大量產(chǎn)生；對于后噴而言

10、，少量后噴燃油的燃燒對發(fā)動機的主噴燃燒過程影響很小，但由于后噴油束的射流作用促進了缸內(nèi)混合氣的湍流擾動，以及后噴燃油的燃燒放熱提升了缸內(nèi)溫度，從而提高了碳煙的氧化率，降低了其最終排放量；本文通過分析影響碳煙氧化的各種原因，認為由后噴射引起的缸內(nèi)氣體的湍流混合是促進碳煙氧化的一個關鍵因素。為了進一步分析和揭示發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒過程及排放性能，分別在不同的多次噴射條件下，通過臺架試驗進行了氣缸壓力的采集與燃燒性能的分析，同時測得了NOx與PM

11、排放值，并對其變化規(guī)律進行了分析和探討。研究表明，模擬計算和試驗結(jié)果吻合較好，尤其是變化趨勢基本一致；表明所采用的計算模型能夠正確反映柴油機的實際燃燒過程。 通過模擬優(yōu)化結(jié)合試驗研究首先得到如下結(jié)論：(1)單次噴射優(yōu)化時，在不引起燃油消耗率過多增加的前提下，傾向于選用較高噴射壓力和較小噴油提前角的組合，對試驗機型最終選擇了共軌壓力65MPa、噴油提前角為1°CA BTDC的組合作為基準狀態(tài)；但僅靠噴油壓力與噴油提前角的調(diào)整，難以

12、滿足更高排放標準對NOx與顆粒PM排放限值的要求，因而需采用先進的多次噴射技術，包括預噴和后噴。(2)在預噴優(yōu)化時，傾向于選用小的預噴油量，預噴定時的優(yōu)化要結(jié)合NOx排放和燃油消耗率進行；對試驗機型最終選擇了1.0mg、15°CA或35°CA間隔的預噴方案；后噴優(yōu)化時，在不引起燃油經(jīng)濟性惡化的范圍內(nèi)，傾向于選用大的后噴油量和短的主、后噴間隔；對試驗機型最終選擇了5.0mg、10°CA間隔的后噴方案。通過以上多次噴射方案可以使柴油機的排放

13、指標進一步降低。 同時，通過模擬優(yōu)化和試驗研究還發(fā)現(xiàn)了不同預噴和不同后噴對柴油機性能與排放的影響關系：(1)在預噴射條件下，當預噴油量相同時，NOx排放與預噴間隔變化成反比關系；在預噴間隔相同且小于35°CA時，NOx排放與預噴油量變化成正比關系，而當預噴間隔大于35°CA時則恰好相反；碳煙排放的變化趨勢與Nox排放變化相類似，唯一的區(qū)別是間隔35°CA前后的變化規(guī)律是一致的。(2)在后噴射條件下，當后噴間隔相同時，Nox排放與

14、后噴油量變化成反比關系；當后噴油量相同時，NOx排放與后噴間隔也成反比關系；對于碳煙排放而言，當后噴間隔相同時，碳煙排放變化趨勢與NOx排放變化相似，而當后噴油量相同時，碳煙排放隨著后噴間隔的增大先增大后減小。但過大或過遠的后噴會帶來油耗率增加和排溫上升問題，因此后噴油量和后噴間隔需要嚴格調(diào)整和仔細優(yōu)化。綜上所述，本文通過對一臺直噴式柴油機進行多次噴射方案的模擬優(yōu)化和試驗研究，有效的改善了發(fā)動機的性能與排放，取得了較為理想的效果。數(shù)值模